CN110116928A - 一种薄膜卷绕机的三轴线速度软同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜卷绕机的三轴线速度软同步控制方法，属于多电机同步控制领域。首先建立虚拟主轴力学模型，再通过速度编码器采样第k次时执行该任务时放卷轴、牵引轴、收卷轴角速度和角位移，计算第k次时执行该任务时放卷、牵引、收卷轴驱动力矩，然后计算第k次时执行该任务时虚拟主轴驱动力矩，最后根据虚拟主轴的力学模型计算得到虚拟主轴输出的基准线速度，除以相应的当前卷径后作为放卷轴、牵引轴、收卷轴参考输入角速度，从而实现放卷轴、牵引轴、收卷轴的实际线速度的软同步。本方法在薄膜卷绕机启动、停车、受扰及系统输入线速度突变情况下，能实现更好的放卷轴、牵引轴、收卷轴的实际线速度的同步效果。

Description

一种薄膜卷绕机的三轴线速度软同步控制方法

技术领域

本发明属于多电机同步控制领域，涉及一种薄膜卷绕机的放卷轴、牵引轴、收卷轴的三轴线速度软同步控制方法。

背景技术

在以薄膜为卷材的薄膜卷绕机中，一般由多道工艺环节构成，涉及到多台电机的同步协调控制，尤其重要的是使各个环节的彼此间线速度实时保持同步。然而在整机运行过程中，不可避免地会发生机械摩擦、薄膜卷径的变化以及薄膜质量和转动惯量的变化，并且各个环节的电机转动惯量往往不一致，电机的速度响应快慢不一，这使得整个装置中各环节的线速度难以达到实时同步。

人们在长期实践过程中发现，线速度的变化和薄膜张力的变化彼此耦合互相影响，线速度的不同步会使得薄膜的张力发生较大的波动，难以稳定在恒定的值，造成材料的形变褶皱、厚度不均，影响薄膜加工质量，严重时可能会发生断裂。线速度的不同步还会加剧薄膜的径向滑移，造成薄膜的收卷不齐。目前衡量薄膜质量的指标很多，主要是薄膜的表面平直度和尺寸精度，线速度达到同步是满足所要求指标的重要保证。传统薄膜卷绕机依靠主令参考式同步控制策略实现多个环节基准线速度同步，这会在启动停车阶段以及受扰阶段产生较大的基准线速度误差，从而导致放卷轴、牵引轴、收卷轴的三轴线速度不同步，进而产生较大的扰动张力，影响薄膜加工质量。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种薄膜卷绕机的三轴线速度软同步控制方法。将虚拟主轴输出的基准线速度取代系统输入线速度，作为放卷轴、牵引轴、收卷轴线速度的控制参考值，使得系统在启动、停车、受扰及系统输入线速度突变情况下仍然能够保持良好的放卷轴、牵引轴、收卷轴线速度同步，保证薄膜生产质量。

本发明的技术方案：

一种薄膜卷绕机的三轴线速度软同步控制方法，包括以下步骤：

第一步：建立虚拟主轴力学模型：

其中，k为循环次数，为第k次时虚拟主轴输出的基准线速度，为第k次时系统输入线速度，T(k)为第k次时虚拟主轴的驱动力矩，T₁(k)、T₂(k)、T₃(k)分别为第k次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的驱动力矩，J_m为虚拟主轴转动惯量，α为单位转换系数，k_m为主轴刚度系数，b_m为主轴衰减系数，ΔT为执行周期，优选的：ΔT＝50ms；

第二步：设定初始值w_m1(1)、w_m1(2)、w_m2(1)、w_m2(2)、w_m3(1)、w_m3(2)、w₁(1)、w₁(2)、w₂(1)、w₂(2)、w₃(1)、w₃(2)、θ_m1(2)、θ_m2(2)、θ_m3(2)、A₁(2)、A₂(2)、A₃(2)、B(2)，其中：为第3次时系统输入线速度，为第1次时虚拟主轴输出的基准线速度，为第2次时虚拟主轴输出的基准线速度；

w_m1(1)、w_m2(1)、w_m3(1)分别为第1次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角速度，w_m1(2)、w_m2(2)、w_m3(2)分别为第2次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角速度；w₁(1)、w₂(1)、w₃(1)分别为第1次时放卷轴、牵引轴、收卷轴角速度的初值；w₁(2)、w₂(2)、w₃(2)分别为第2次时放卷轴、牵引轴、收卷轴角速度的初值；θ_m1(2)、θ_m2(2)、θ_m3(2)分别为第2次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角位移；

A₁(2)、A₂(2)、A₃(2)分别为第2次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的角速度差积分项，B(2)为第2次时虚拟主轴的角速度差积分项；

令k＝3；

第三步：通过编码器1、编码器2、编码器3分别采样第k次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的角速度w₁(k)、w₂(k)、w₃(k)以及角位移θ₁(k)、θ₂(k)、θ₃(k)；

第四步：计算第k次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的驱动力矩T₁(k)、T₂(k)、T₃(k)，计算公式为：

其中：A_i(k)，i＝1,2,3，为第k次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的角速度差积分项，k_s1、k_s2、k_s3分别为放卷轴、牵引轴、收卷轴的刚度系数，b_s1、b_s2、b_s3分别为放卷轴、牵引轴、收卷轴的衰减系数，k_a为虚拟联结机构阻尼系数，k_tr为刚度积分增益，θ_m1(k-1)、θ_m2(k-1)、θ_m3(k-1)分别为第k-1次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角位移，w_m1(k-1)、w_m2(k-1)、w_m3(k-1)分别为第k-1次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角速度；

第五步：输入第k次时系统输入线速度由虚拟主轴力学模型式(1)计算第k次时虚拟主轴的驱动力矩T(k)，计算公式为：

其中，B(k)为第k次时虚拟主轴的线速度差积分项；

第六步：由虚拟主轴力学模型式(1)计算出第k次时虚拟主轴输出的基准线速度计算公式为：

作为放卷轴、牵引轴、收卷轴线速度的控制参考值，实现放卷轴线速度V₁(k)、牵引轴线速度V₃(k)、收卷轴线速度V₃(k)的软同步；

第七步：计算第k次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角速度w_m1(k)、w_m2(k)、w_m3(k)，计算公式为：

其中，R₁、R₂、R₃分别为放卷轴、牵引轴、收卷轴当前卷径，将参考输入角速度w_m1(k)、w_m2(k)、w_m3(k)分别作为放卷轴、牵引轴、收卷轴角速度反馈控制回路的角速度给定信号；

放卷轴角速度反馈控制回路由伺服驱动器1、放卷电机、编码器1组成，给定信号为放卷轴参考输入角速度信号w_m1(k)，负反馈信号为编码器1采样的第k次时放卷轴的角速度w₁(k)，伺服驱动器1工作在速度模式下，接受偏差信号w_m1(k)-w₁(k)的控制，伺服驱动器1驱动放卷电机带动放卷棍转动得到放卷轴线速度V₁(k)；

牵引轴角速度反馈控制回路由伺服驱动器2、牵引电机、编码器2组成，给定信号为牵引轴参考输入角速度信号w_m2(k)，负反馈信号为编码器2采样的第k次时牵引轴的角速度w₂(k)，伺服驱动器2工作在速度模式下，接受偏差信号w_m2(k)-w₂(k)的控制，伺服驱动器2驱动牵引电机带动牵引棍转动得到牵引轴线速度V₂(k)；

收卷轴角速度反馈控制回路由伺服驱动器3、收卷电机、编码器3组成，给定信号为收卷轴参考输入角速度信号w_m3(k)，负反馈信号为编码器3采样的第k次时收卷轴的角速度w₃(k)，伺服驱动器3工作在速度模式下，接受偏差信号w_m3(k)-w₃(k)的控制，伺服驱动器3驱动收卷电机带动收卷棍转动得到收卷轴线速度V₃(k)；

放卷轴线速度V₁(k)、牵引轴线速度V₂(k)、收卷轴线速度V₃(k)保持软同步；

第八步：计算第k次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角位移θ_m1(k)、θ_m2(k)、θ_m3(k)，计算公式为：

第九步：判断是否结束，是则结束；否则k＝k+1，并跳转至第三步。

本发明的有益效果：本发明通过建立虚拟主轴模型，将虚拟主轴输出的基准线速度取代系统输入线速度，作为放卷轴、牵引轴、收卷轴线速度的控制参考值；相比传统的主令参考式同步控制方法只能依靠各轴自身调节来实现彼此间线速度同步，本方法综合考虑三轴的力矩变化，在启动、停车、受扰及给系统输入线速度突变情况下能实现更好的同步效果。

附图说明

图1为一种薄膜卷绕机的三轴线速度软同步控制方法的流程图。

图2为一种薄膜卷绕机的三轴线速度软同步控制方法的原理图。

图3为一种薄膜卷绕机的三轴线速度软同步控制的运行效果图。

图4为薄膜卷绕机釆用主令参考式同步控制时运行效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

参照附图1、图2，一种薄膜卷绕机的三轴线速度软同步控制方法为：

根据式(1)建立虚拟主轴力学模型；

通过编码器1、编码器2、编码器3分别采样第k次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的角速度w₁(k)、w₂(k)、w₃(k)以及角位移θ₁(k)、θ₂(k)、θ₃(k)；

根据式(2)计算第k次放卷轴、牵引轴、收卷轴的驱动力矩T₁(k)、T₂(k)、T₃(k)；

用户设定第k次时系统输入线速度由式(3)计算第k次时虚拟主轴的驱动力矩T(k)，由式(4)计算出第k次时虚拟主轴输出的基准线速度

根据式(5)计算第k次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角速度w_m1(k)、w_m2(k)、w_m3(k)；将参考输入角速度信号w_m1(k)、w_m2(k)、w_m3(k)分别作为放卷轴、牵引轴、收卷轴角速度反馈控制回路的角速度给定信号；

放卷轴角速度反馈控制回路由伺服驱动器1、放卷电机、编码器1组成，给定信号为参考输入角速度信号w_m1(k)，负反馈信号为编码器1采样的第k次时放卷轴的角速度w₁(k)，伺服驱动器1工作在速度模式下，接受偏差信号w_m1(k)-w₁(k)的控制，伺服驱动器1驱动放卷电机带动放卷棍转动得到放卷轴线速度V₁(k)；

牵引轴角速度反馈控制回路由伺服驱动器2、牵引电机、编码器2组成，给定信号为牵引轴参考输入角速度信号w_m2(k)，负反馈信号为编码器2采样的第k次时牵引轴的角速度w₂(k)，伺服驱动器2工作在速度模式下，接受偏差信号w_m2(k)-w₂(k)的控制，伺服驱动器2驱动牵引电机带动牵引棍转动得到牵引轴线速度V₂(k)；

收卷轴角速度反馈控制回路由伺服驱动器3、收卷电机、编码器3组成，给定信号为收卷轴参考输入角速度信号w_m3(k)，负反馈信号为编码器3采样的第k次时收卷轴的角速度w₃(k)，伺服驱动器3工作在速度模式下，接受偏差信号w_m3(k)-w₃(k)的控制，伺服驱动器3驱动收卷电机带动收卷棍转动得到收卷轴线速度V₃(k)；

放卷轴线速度V₁(k)、牵引轴线速度V₂(k)、收卷轴线速度V₃(k)保持软同步；

最后，根据式(6)计算第k次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角位移θ_m1(k)、θ_m2(k)、θ_m3(k)，用于下一时刻计算。

实施例：

采用本发明提出的一种薄膜卷绕机的三轴线速度软同步控制方法，系统输入线速度初始设置为0.995m/s，在20s时系统输入线速度发生斜坡变化，到20.1s时系统输入线速度为1m/s。采用表1中的控制参数，三轴线速度软同步控制方法的运行效果如附图3所示。

采用主令参考式同步控制方法，系统输入线速度初始设置为0.995m/s，在20s时系统输入线速度发生斜坡变化，到20.1s时系统输入线速度为1m/s。采用表1中的控制参数，主令参考式同步控制方法的运行效果图如附图4所示。

从附图中可以看出，二种控制方法在20s以前放卷轴、牵引轴、收卷轴的线速度保持同步。在20s时系统输入线速度发生突变，附图4中放卷轴、牵引轴、收卷轴虽然可以较快的响应系统输入线速度，但由于放卷轴、牵引轴、收卷轴转动惯量不同，会表现出彼此跟随性的差异，造成放卷轴、牵引轴、收卷轴两两间的线速度误差较大，进而产生较大的扰动张力，影响薄膜加工质量。附图3中放卷轴、牵引轴、收卷轴虽然响应系统输入线速度的过程较慢，但响应过程中放卷轴线速度、牵引轴线速度、收卷轴线速度始终保持同步，两两间的线速度误差很小，保证恒张力控制。因此本发明的薄膜卷绕机的三轴线速度软同步控制方法可较好的实现放卷轴、牵引轴、收卷轴线速度的软同步，提高薄膜加工质量。

表1控制参数表

Claims (2)

1.一种薄膜卷绕机的三轴线速度软同步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：建立虚拟主轴力学模型：

其中，k为循环次数，为第k次时虚拟主轴输出的基准线速度，为第k次时系统输入线速度，T(k)为第k次时虚拟主轴的驱动力矩，T₁(k)、T₂(k)、T₃(k)分别为第k次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的驱动力矩，J_m为虚拟主轴转动惯量，α为单位转换系数，k_m为主轴刚度系数，b_m为主轴衰减系数，ΔT为执行周期；

第二步：设定初始值w_m1(1)、w_m1(2)、w_m2(1)、w_m2(2)、w_m3(1)、w_m3(2)、w₁(1)、w₁(2)、w₂(1)、w₂(2)、w₃(1)、w₃(2)、θ_m1(2)、θ_m2(2)、θ_m3(2)、A₁(2)、A₂(2)、A₃(2)、B(2)，其中：为第3次时系统输入线速度，为第1次时虚拟主轴输出的基准线速度，为第2次时虚拟主轴输出的基准线速度；

w_m1(1)、w_m2(1)、w_m3(1)分别为第1次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角速度，w_m1(2)、w_m2(2)、w_m3(2)分别为第2次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角速度；w₁(1)、w₂(1)、w₃(1)分别为第1次时放卷轴、牵引轴、收卷轴角速度的初值；w₁(2)、w₂(2)、w₃(2)分别为第2次时放卷轴、牵引轴、收卷轴角速度的初值；θ_m1(2)、θ_m2(2)、θ_m3(2)分别为第2次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角位移；

A₁(2)、A₂(2)、A₃(2)分别为第2次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的角速度差积分项，B(2)为第2次时虚拟主轴的角速度差积分项；

令k＝3；

第三步：通过编码器1、编码器2、编码器3分别采样第k次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的角速度w₁(k)、w₂(k)、w₃(k)以及角位移θ₁(k)、θ₂(k)、θ₃(k)；

第四步：计算第k次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的驱动力矩T₁(k)、T₂(k)、T₃(k)，计算公式为：

其中：A_i(k)，i＝1,2,3，为第k次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的角速度差积分项，k_s1、k_s2、k_s3分别为放卷轴、牵引轴、收卷轴的刚度系数，b_s1、b_s2、b_s3分别为放卷轴、牵引轴、收卷轴的衰减系数，k_a为虚拟联结机构阻尼系数，k_tr为刚度积分增益，θ_m1(k-1)、θ_m2(k-1)、θ_m3(k-1)分别为第k-1次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角位移，w_m1(k-1)、w_m2(k-1)、w_m3(k-1)分别为第k-1次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角速度；

第五步：输入第k次时系统输入线速度由虚拟主轴力学模型式(1)计算第k次时虚拟主轴的驱动力矩T(k)，计算公式为：

其中，B(k)为第k次时虚拟主轴的线速度差积分项；

第六步：由虚拟主轴力学模型式(1)计算出第k次时虚拟主轴输出的基准线速度计算公式为：

作为放卷轴、牵引轴、收卷轴线速度的控制参考值，实现放卷轴线速度V₁(k)、牵引轴线速度V₃(k)、收卷轴线速度V₃(k)的软同步；

第七步：计算第k次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角速度w_m1(k)、w_m2(k)、w_m3(k)，计算公式为：

其中，R₁、R₂、R₃分别为放卷轴、牵引轴、收卷轴当前卷径，将参考输入角速度w_m1(k)、w_m2(k)、w_m3(k)分别作为放卷轴、牵引轴、收卷轴角速度反馈控制回路的角速度给定信号；

放卷轴角速度反馈控制回路由伺服驱动器1、放卷电机、编码器1组成，给定信号为放卷轴参考输入角速度信号w_m1(k)，负反馈信号为编码器1采样的第k次时放卷轴的角速度w₁(k)，伺服驱动器1工作在速度模式下，接受偏差信号w_m1(k)-w₁(k)的控制，伺服驱动器1驱动放卷电机带动放卷棍转动得到放卷轴线速度V₁(k)；

牵引轴角速度反馈控制回路由伺服驱动器2、牵引电机、编码器2组成，给定信号为牵引轴参考输入角速度信号w_m2(k)，负反馈信号为编码器2采样的第k次时牵引轴的角速度w₂(k)，伺服驱动器2工作在速度模式下，接受偏差信号w_m2(k)-w₂(k)的控制，伺服驱动器2驱动牵引电机带动牵引棍转动得到牵引轴线速度V₂(k)；

收卷轴角速度反馈控制回路由伺服驱动器3、收卷电机、编码器3组成，给定信号为收卷轴参考输入角速度信号w_m3(k)，负反馈信号为编码器3采样的第k次时收卷轴的角速度w₃(k)，伺服驱动器3工作在速度模式下，接受偏差信号w_m3(k)-w₃(k)的控制，伺服驱动器3驱动收卷电机带动收卷棍转动得到收卷轴线速度V₃(k)；

放卷轴线速度V₁(k)、牵引轴线速度V₂(k)、收卷轴线速度V₃(k)保持软同步；

第八步：计算第k次时放卷轴、牵引轴、收卷轴的参考输入角位移θ_m1(k)、θ_m2(k)、θ_m3(k)，计算公式为：

第九步：判断是否结束，是则结束；否则k＝k+1，并跳转至第三步。

2.根据权利要求1所述的一种薄膜卷绕机的三轴线速度软同步控制方法，其特征在于，ΔT＝50ms。